グリーン農薬への新たな扉を開く：「稲がんを殺す」新型殺菌剤誕生！

イネいもち病は「イネがん」としても知られ、我が国で毎年30億キログラムの穀物損失を引き起こす壊滅的な真菌性疾患です。これは、我が国の主食作物の安定した高収量を深刻に制限し、我が国の食糧安全保障を脅かすものです。

イネいもち病を克服するために、南京農業大学植物保護学院の張正光教授はチームを率いて約30年にわたって病原菌と戦ってきた。 2024年2月26日、上海師範大学の張正光氏のチームと邢維曼教授のチームは、最新の研究結果をNature Plants誌に発表した。

彼らは、イネいもち病菌に特有の保存された毒性エフェクターMoErs1を発見し、それが宿主の免疫を阻害するメカニズムを明らかにしました。このメカニズムに基づいて設計されたジフェニルエーテルエステル化合物は、イネいもち病に対して顕著な予防効果を発揮します。この研究は、イネいもち病菌の保存的エフェクターを標的とした殺菌剤を開発するという新しい概念を提案した、中国および海外で初めての研究です。

論文の査読者は全員一致で、彼らの研究は非常に革新的であると同意した。この研究は、植物と微生物の相互作用、植物、農業の分野における病気を制御するための新しい戦略を見つける上で重要な意味を持ちます。

**常識に挑戦:**エフェクターは新たなターゲットとなるか?

私の国では米が主な食用作物であり、その栽培面積は私の国の総食用作物面積の約 30% を占めています。論文の共同責任著者である張正光氏は、イネいもち病菌によって引き起こされるイネいもち病は、重症の場合、イネの生産量を40～50％減少させ、イネの収穫量が全くなくなることさえあり、わが国におけるイネの安定した高品質生産を深刻に制限すると述べた。現在、イネいもち病の予防と制御には、殺菌剤の散布と耐病性品種の使用が主な手段となっています。

しかし、グリーン農薬の作成に使用できる殺菌剤分子ターゲットの数は非常に限られています。国際殺菌剤耐性行動委員会（FRAC）の統計によると、殺菌剤開発に使用できるターゲットは今のところ20以上しかありません。ほとんどの殺菌剤は同じターゲット向けに開発されており、世界中で広く使用されている殺菌剤の 60% は 3 つのターゲットのみを対象としています。

現在使用されている殺菌剤の標的のほとんどは、病原体の成長と発達に不​​可欠な遺伝子です。これらの遺伝子によって発現されるタンパク質は、病原体の生存にとって重要な生理学的および生化学的プロセスを制御します。一度破壊されると、病原体自体は生き残ることができません。

張正光氏は、標的の数が限られているため、既存の薬剤は標的が単一で、構造の均質性が著しく高いと説明した。病原体の重要な遺伝子が変異すると、薬剤の効果が失われる可能性があるため、薬剤耐性のリスクは非常に高くなります。

たとえば、殺菌剤は特定の生物学的プロセスにのみ作用する可能性があり、病原体は単一のメカニズムの変異を通じて容易に耐性を獲得する可能性があります。さらに、標的は複数の異なる殺菌剤によって作用され、病原体は標的を変異させることによって同時に複数の殺菌剤に耐性を持つ可能性があり、それによって耐性リスクが高まります。

「したがって、イネいもち病菌とイネの相互作用の分子メカニズムを詳細に分析し、新しい殺菌剤のターゲットを探索し、環境に優しく効率的で毒性の低い殺菌剤を開発することで、イネいもち病の環境に優しい予防と制御のための新しい戦略を確立できると期待されます」と張正光氏は述べた。

張正光氏のチームは長期にわたる研究で、エフェクタータンパク質が病原体から宿主植物であるイネに分泌され、宿主の免疫を抑制し、病原体の感染を促進する必要な「武器」であることを発見した。

植物と病原体との長期にわたる相互作用の間、植物は細胞膜上のパターン認識受容体に依存して病原体関連のパターン分子を認識し、PTI免疫応答を誘発します。病原体は宿主のPTI免疫応答を抑制するために、宿主細胞内に多数のエフェクターを分泌し、宿主内の重要な免疫成分を標的とし、PTI免疫応答を阻害し、感受性を引き起こします。

次に、エフェクターによって引き起こされる感受性に応じて、植物は徐々にエフェクターを特異的に認識する病気耐性タンパク質を進化させ、それによってより強力な ETI 免疫応答を引き起こします。宿主のETIは病原体に対して極めて強い選択圧を及ぼします。宿主植物で生き残り定着するために、病原体のエフェクターは変異と進化を続け、それによって宿主の病害抵抗性タンパク質の認識を回避し、イネのETI免疫反応を回避します。これは、耐性品種の耐性が簡単に克服できる理由でもあります。

これは、ほとんどのエフェクターが保守的ではなく、変動しやすいことを示しています。したがって、エフェクターを標的とした殺菌剤の開発の前例はありません。

張正光のチームは常識に縛られない。 「エフェクターは病原体の感染プロセスにおいて非常に重要なので、保存されたエフェクターを標的にしてイネいもち病用の新しい殺菌剤を開発できるでしょうか？」 2013年、論文の共同筆頭著者であり、南京農業大学植物保護学院の准教授である劉牧星氏は、殺菌剤の新たな標的を見つけるという課題を引き受けた。

エフェクターの謎を解明するのに10年

「実際、エフェクターMoErs1の機能を分析するのは簡単ではない」とLiu Muxing氏は語った。

真核生物タンパク質の分泌は主に小胞輸送プロセスに依存しており、病原体エフェクターの分泌についても同様です。小胞輸送の制御に関わる遺伝子をノックアウトすると、病原体がエフェクターを分泌するプロセスが中断され、イネへの感染は発生しなくなります。

張正光氏のチームは、イネいもち病菌の小胞輸送プロセスについて多くの研究を積み重ね、細胞外プロテオミクスを通じて小胞輸送によって分泌が制御されるエフェクターを発見した。病原体が病気を引き起こすために必要な毒性エフェクターを見つけるために、研究者らは特定されたエフェクターをコードする遺伝子を一つずつノックアウトし、最終的にMoErs1と呼ばれるエフェクターの喪失が病原体の感染プロセスを中断できることを発見した。彼らは、これが非常に重要なエフェクターであり、研究における画期的な進歩となる可能性があることに気づきました。

2015年に、彼らのチームはすでにエフェクターMoErs1を特定していました。 「しかし、その配列には特別な機能ドメインがないため、その具体的な機能を明らかにすることができていない。」

その後8年間、張正光のチームは静かに段階的に分析作業を進めていった。 「実は、特に衝撃的だったり、面白い話があるわけではないんです。一生懸命に取り組んで、多くの時間を費やした作品なんです」と劉木星さんは語った。エフェクターMoErs1の機能をさらに研究し、その謎を解明するために、研究者らはまずその多型性を解析し、世界中で配列が決定された数百のイネいもち病菌の生理学的系統群に多型性がないことを発見した。これは、MoErs1が非常に保存的で、変異しにくいことを示している。 「この保守主義は、​​イネいもち病菌の発病過程におけるその重要性を決定づける」と劉牧星氏は語った。

この配列は特定の機能に対応していなかったため、エフェクターの三次元構造を研究する方法しか見つけられませんでした。プロセスは非常に困難でしたが、最終的にはXing Weimanのチームと協力してエフェクターMoErs1の結晶構造を解明し、それがイネのシステインプロテアーゼOsRD21を標的にしてその酵素活性を阻害し、イネの免疫におけるOsRD21の役割を妨害できるシステインプロテアーゼ阻害剤の一種であることを発見しました。

「MoErs1 は保守的なため、理論的には新しい殺菌剤のターゲットとして開発および利用することができます。」張正光氏は、保存されたエフェクターは長期にわたる進化の過程で変異を起こしにくいことが証明されているタンパク質であるため、保存されたエフェクターをターゲットとして開発された殺菌剤は、理論的には薬剤耐性を発現する可能性が低いと述べた。

新しい殺菌剤が誕生

エフェクターとイネの免疫システムとの相互作用のモデルに基づいて、研究者らはジフェニルエーテルエステル化合物を設計した。この化合物は、病原菌エフェクターMoErs1と競合的に結合し、イネOsRD21への標的化を阻害し、イネの免疫におけるOsRD21の役割を解放し、イネいもち病の感染に抵抗し、病気の発生を効果的に抑制します。

「現在、この化合物の急性毒性、三重毒性、環境毒性に関する予備実験は完了しており、いずれも毒性が低い」と劉牧星氏は述べた。

2023年9月、湖南省桃江県でジフェニルエーテルエステル化合物FY21001を用いたイネいもち病の予防と防除に関する現地観察会が開催されました。参加者は、桃江県高橋鎮洛渓村にある稲のいもち病予防・防除薬効試験基地を視察した。張正光氏は、イネいもち病の発生状況、適用手順、予防・抑制効果などについて紹介した。

専門家グループは現場で各薬剤処理によるイネいもち病指数と圃場防除効果を確認し、ジフェニルエーテルエステル化合物の防除効果は防除薬剤トリシクラゾールと同等であると全員一致で同意した。

中国工程院院士で湖南省農業科学院党委員会書記の白連洋氏は、この研究の重要性を全面的に認めた。同氏は、ジフェニルエーテルエステル化合物FY21001は、独自のターゲットに基づいて開発された独自の構造を持つ、従来の殺菌剤創出の限界を打ち破る新しいタイプの高効率かつ低毒性の殺菌剤であるとコメントした。イネいもち病に対する圃場防除効果に優れ、その効果は既存のイネいもち病防除の主流薬剤と同等です。農薬登録手続きを加速化することが推奨されます。

「この化合物に関して、我々は国家認可の発明特許を4件取得しており、化合物の骨格を保護している。現在、江蘇省中旗科技有限公司と協力して開発を進めており、今後2年以内に正式に農薬登録申請を提出したいと考えている」と張正光氏は述べた。

エフェクターは病原体が宿主を攻撃するための重要な武器です。報告された研究は、主にエフェクタータンパク質が宿主の免疫を阻害するメカニズムの分析に焦点を当てています。ほとんどのエフェクタータンパク質は多型性があるため、エフェクターを標的とした殺菌剤の開発前例はありません。

この研究により、殺菌剤の研究開発に対する人々の理解が広がり、エフェクターを標的とした新しい殺菌剤を生み出すための新しい戦略が生まれました。同時に、エフェクターは菌類特有のタンパク質であり、細胞外に分泌されるため、エフェクターを標的として開発された殺菌剤は毒性が低く、薬剤耐性を発現しにくいという特徴があり、我が国のグリーン農薬創出の開発ニーズを満たし、我が国のグリーン農薬創出に新たな道を切り開きます。

記者/夏文燕、特派員/徐天英